Hmotnostná spektrometria v analytickej chémii (N-mCAl-104/15)

Študenti sa oboznámia s informáciami o postavení metód hmotnostnej spektrometrie(MS) pri generovaní analytického signálu v chemickej analýze a identifikácii látok. Predmet sa zaoberá aplikáciami a využitím rôznych techník hmotnostnej spektrometrie v analytickej chémii. Pozornosť je venovaná tak inštrumentálnym ako aj aplikačným aspektom. Dôležitú súčasť predmetu tvorí interpretácia hmotnostných spektier. Koncepcia hmoty. Inštrumentácia. Ionizačné techniky: EI, CI, MALDI, FAB. Hmotnostná analýza. Systémy vnášania vzoriek. Priame vnášanie vzorky. Kombinácia hmotnostnej spektrometrie s chromatografickými a elektroforetickými technikami. MS-MS. Analytická účinnosť. Kvalitatívna a kvantitatívna analýza. Aplikácie. Seminár: analytická interpretácia a získavanie informácií z hmotnostných spektier.Cvičenie: Počítačové simulácie z MS metód. Inštrumentálne kvalitatívne a kvantitatívne stanovenie vybraných analytov v reálnych vzokách. Seminár: Prezentácia riešenia zadaných úloh a vybraných analytických problémov študentami.

Sylabus prednášok

1. Koncepcia hmoty. Inštrumentácia. Ionizačné techniky: EI, CI, MALDI, FAB. Hmotnostná analýza. Systémy vnášania vzoriek. Priame vnášanie vzorky. Kombinácia hmotnostnej spektrometrie s chromatografickými a elektroforetickými technikami. MS-MS. Analytická účinnosť. Kvalitatívna a kvantitatívna analýza. Aplikácie. Seminár a cvičenie: analytická interpretácia a získavanie informácií z teoretických a experimentálnych hmotnostných spektier. Záverečný test. 1. Úvodná prednáška.
2. Zopakovanie záklaných pojmov. Meranie v hmotnostnej spektrometrii.
3. Rozlišovacia schopnosť hmotnostného spektrometra. Presnosť merania hmotnosti iónov. Elementárne zloženie iónov a správne meranie hmotnosti iónov. Kalibrácia.
4. Inštrumentácia v hmotnostnej spektrometrii.
5. Vákuové systémy v MS. Vnášanie vzorky do hmotnostného spektrometra. Spájanie techník MS so separačnými technikami (GC-MS, LC-MS, CE-MS). Problémy a potenciál takýchto spojení.Zber dát v MS, požiadavky na výpočtovú techniku, spracovanie signálu.
6. Tandemová hmotnostná spektrometria.
7. Základné princípy, základné pojmy. Prekurzorové a fragmentové ióny. Typy fragmentácií (CID, CAD, PID, SID, ECD). Tandemové a hybridné hmotnostné analyzátory (Q-q-Q, TOF-TOF, IT, IT-TOF, Q-TOF, IT-ICR). Typy pracovných módov a možnosti ich využitia pri analýze reálnych vzoriek.
8. Chémia iónov. Elektrónové a protónové afinity a meranie kyslosti v plynnej fáze. Ión-molekulové reakcie (typy, rýchlosti, prechodné komplexy).Izotopické efekty.
9. Interpretácie hmotnostných spektier získaných mäkkými ionizačnými technikami. Hmotnostné spektrum, jeho vznik a popis. Hľadanie molekulového iónu v spektre a získanie molekulovej hmotnosti látky zo spektra. Odhad elementárneho zloženia molekulového iónu. Základné fragmentačné pravidlá.
10. Interpretácie hmotnostných spektier. Príklady hmotnostných spektier rozličných typov látok, ich interpretácia. Interpretácia neznámych spektier.
11. Využitie MS v analytickej chémii. Kvalitatívna analýza. Kvantitatívna analýza. Dynamický rozsah. Rôzne spôsoby vyhodnocovania získaných dát. Viacrozmerná analýza MS dát.
12. Využitie MS v organickej chémii. Štúdium reakčných mechanimov v organickej chémii. Fragmentačné schémy organických molekúl. Stabilita vzniknutých iónov. Štúdium stereochemických problémov v organickej chémii.
13. Hmotnostná spektrometria v biológii. Ionizácia biomolekúl a biopolymérov. Proteíny, peptidy a proteomika. Získanie molekulovej hmotnosti z MS spektra. Sekvenovanie proteínov. Komplexy proteínov. Oligonukleotidy a nukleové kyseliny. Identifikácia modifikovaných nukleozidov. Sekvenovanie oligonukleotidov. Oligosacharidy a glykokonjugáty. Sekvenovanie oligosacharidov. Možnosti derivatizácie a jej využitie na identifikáciu rozvetvenia.

Hodnotenie predmetu

Maximálny počet 100 bodov

1. Prednáška, max. 40 bodov:
   
   • povinná záverečná písomná skúška zložená z dvoch častí (písomnej a ústnej).

2. Cvičenie, max. 40 bodov:
   
   • príprava na cvičenie
   • aktivita na cvičení
   • odovzdanie protokolov z každého cvičenia v určených termínoch podľa pokynov vyučujúdeho
   • vyhodnotenie protokolov vyučujúcim
   • záverečný test z cvičení.

3. Seminár, max. 20 bodov:
   
   • záverečný test zo seminárov (koniec semestra)
   • aktivita a priebežné testy,
   • neúčať na záverečnom teste seminára je študent povinný ohlásiť aspoň 1 deň dopredu (ak je to možné) resp. sa ospravedlniť najviac 5 pracovných dní po písomke (ak tomu nebránia zvláštne dôvody), inak stráca nárok na náhradný termín písania písomky,
   • záverečný test je vytvorený na základe otázok a príkladov.
     

Celkové hodnotenie predmetu

Podmienky pre absolvovanie cvičení a seminárov

• a

  Študijný poriadok Univerzity Komenského v Bratislave, Prírodovedeckej fakulty Článok 4, odsek 9

• ak študent príde na cvičenie nepripravený alebo v priebehu cvičenia sa bude chovať neadekvátne, poruší bezpečnosť pri práci a ohrozí tým svoje zdravie alebo zdravie svojich kolegov, vyučujúci ho môže vylúčiť z cvičenia bez nároku na náhradné odcvičenie úlohy
• študent musí absolvovať všetky laboratórne cvičenia,
• v prípade neúčasti študenta na cvičeniach, musí študent dokladovať dôvod svojej neúčasti, inak mu vyučujúci nemusí uznať zápočet a študent následne nebude pripustený ku skúške
• ak študent vymešká cvičenie a vyučujúci uzná jeho dôvody ako opodstatnené, docvičovanie úloh resp. získanie bodov stratených kvôli neúčasti sa bude riešiť individuálne na základe okolností a písomnej dohody medzi študentom a vyučujúcim
• študenti majú nárok na jeden náhradný termín (spravidla v 13. týždni semestra), počas ktorého si môžu docvičiť vymeškané úlohy (okrem prípadov menovaných v prvom bode)
• študent je povinný nahlásiť ešte pred absolvovaním cvičenia každú skutočnosť, ktorá by mohla ohroziť bezpečnosť a zdravie ľudí v laboratóriu alebo spôsobiť materiálne škody 
• ak študent vymešká viac ako jeden seminár bez dôveryhodného dokladovania dôvodu neúčasti, vyučujúci mu nemusí uznať zápočet a študent následne nebude pripustený ku skúške
• ak niektorý seminár alebo cvičenie odpadnú v dôsledku sviatkov alebo dekanského/rektorského voľna, body získateľné za tieto aktivity sa odpočítajú z maximálneho počtu bodov a percentuálna úspešnosť študenta sa vypočíta pomocou zníženého maximálneho počtu dosiahnuteľných bodov.

Ostatné problémy sa budú riešiť v zmysle Študijného poriadku UK v Bratislave zverejneného na webovej stránke fakulty.

Laboratórne cvičenia

1. Meranie MS spektier vybraných skupín látok s postupne vzrastajúcou štruktúrnou zložitosťou
2. Interpretácia výsledkov pomocou databáz.
3. Štúdium fragmentačných mechanizmov vybraných látok.
4. Merania HPLC-ESI-MS a porvrdenie identity vybraných skupín látok. 

Odporúčaná literatúra

• Gross J.H.: Mass Spectrometry - A Textbook 2nd ed Springer 2011
• Ekman R. a kol: Mass Spe, trometry, Instrumentation, Interpretation, and Applications J. WileySons, 2009
• Giorgio Montaudo G., LattimerR.P, Mass Spectrometry of Polymers, CRC Press  2001
• Skoog D.A.: Analytical Chemistry an Introduction, 7th ed. Saunders College, Publ. 2000
• www.analytika.sk

Študijný materiál a Obsluha prístroja